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第五章控制系统的稳定性分析5.1控制系统稳定性的基本概念5.2控制系统稳定的充要条件5.3代数稳定性判据5.4乃奎斯特稳定性判据5.6由伯德图判断系统的稳定性5.7控制系统的相对稳定性
5.1控制系统稳定性的基本概念稳定是控制系统能够正常运行的首要条n件。对系统进行各类品质指标的分析必须在系统稳定n的前提下进行。控制理论的基本任务(之一)n分析系统的稳定性问题n提出保证系统稳定的措施n
一.稳定性的基本概念和定义设一线性定常系统原处于某一平衡状态,若它瞬间受到某一扰动作用而偏离了原来的平衡状态,当此扰动撤消后,系统仍能回到原有的平衡状态,则称该系统是稳定的。反之,系统为不稳定。Fbac
5.2系统稳定性的充要条件系统传递函数R(s)C(s)G(s)H(s)+—
一个在零输入下稳定的系统,会不会因某个参考输入信号的加入而使其稳定性受到破坏??分析单位阶跃函数瞬态分量参考输入稳态分量对于输入为阶跃信号的系统要使其稳定,必有:若为正,则发散系统输出为等幅振荡过程属于临界稳定状态系统进入一个新的平衡状态属临界稳定状态
对于输入为阶跃信号的系统要使其稳定,必有:如果上式定必有为负才能成立系统稳定的充要条件:闭环特征方程式的根须都位于S的左半平面工程中常用判断系统稳定性的方法:(1)劳斯—赫尔维茨判据(Roth—Hurwitz)(2)奈魁斯特稳定判据(3)对数稳定判据(4)根轨迹法
5.3代数稳定性判据1劳斯稳定判据(Routh’sstabilitycriterion)性系充要条件特征方程式的根必都位于S的左半平面。稳定判据令系统的闭环特征方程为如果方程式的根都是负实部,或实部为负的复数根,则其特征方程式的各项系数均为正值(a0)i(1)特征方程式的各项系数均为正值(即ai0)
(2)将各项系数,按下面的格式排列劳斯表计算sn-2行以下系数的规律:每行都是由该行上边两行的数算得,等号右边的二阶行列式中,第一列是上面两行中的第一列的两个数,第二列是被算数的右上肩的两个数,等号右边的分母是上一行中左起第一个数.
(3)劳斯稳定判据1.如果劳斯表中第一列的系数均为正值,则其特征方程式的根都在S的左半平面,相应的系统是稳定的。2.如果劳斯表中第一列系数的符号有变化,其变化的次数等于该特征方程式的根在S的右半平面上的个数,相应的系统为不稳定。
例已知一调速系统的特征方程式为试用劳斯判据判别系统的稳定性解:列劳斯表该表第一列系数符号不全为正,因而系统是不稳定的;且符号变化了两次,所以该方程中有二个根在S的右半平面。
已知某调速系统的特征方程式为求该系统稳定的K值范围。解:列劳斯表由劳斯判据可知,若系统稳定,则劳斯表中第一列的系数必须全为正值。可得:
劳斯判据特殊情况1.劳斯表某一行中的第一项等于零,而该行的其余各项不等于零或没有其余项。解决的办法是以一个很小的正数来代替为零的这项据此算出其余的各项,完成劳斯表的排列?若劳斯表第一列中系数的符号有变化,其变化的次数就等于该方程在S右半平面上根的数目,相应的系统为不稳定?如果第一列上面的系数与下面的系数符号相同,则表示该方程中有一对共轭虚根存在,相应的系统也属不稳定
已知系统的特征方程式为试判别相应系统的稳定性。解:列劳斯表由于表中第一列0上面的符号与其下面系数的符号相同,表示该方程中有一对共轭虚根存在,相应的系统为(临界)不稳定。
例:已知特征方程为判别系统的稳定性。解:系统各项系数均大于0列写劳斯表:SSSSSS54321013226100(ε)3/2(6ε-3)/ε→-∞m=1.5-ε/(6ε-3)→1.5(6ε-3)/ε12m1第一列含有负数,系统不稳定
2.劳斯表中出现全零行解决的办法用系数全为零行的上一行系数构造一个辅助多项式,并以这个辅助多项式导数的系数来代替表中系数为全零的行。完成劳斯表的排列。这些大小相等、径向位置相反的根可以通过求解这个辅助方程式得到,而且其根的数目总是偶数的。相应方程中含有一些大小相等符号相反的实根或共轭虚根。相应的系统为不稳定
一个控制系统的特征方程为列劳斯表显然这个系统处于临界(不)稳定状态。
劳斯判据的应用稳定判据能回答特征方程式的根在S平面上的分布情况,而不能确定根的具体数据。实际系统希望S左半平面上的根距离虚轴有一定的距离。解决的办法设代入原方程式中,得到以为变量的特征方程式,然后用劳斯判据去判别该方程中是否有根位于垂线右侧。此法可以估计一个稳定系统的各根中最靠近右侧的根距离虚轴有多远,从而了解系统稳定的“程度”。
用劳斯判据检验下列特征方程-1是否有根在S的右半平面上,并检验有几个根在垂线的右方。解:列劳斯表第一列全为正,所有的根均位于左半平面,系统稳定。
令代入特征方
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